Med hjälp av små, konstgjorda leverorgan som framställts av celler från mänskliga donatorer har forskare upptäckt att många gener som är involverade i läkemedelsmetabolismen styrs av den cirkadiska rytmen. Dessa cirkadiska variationer påverkar hur mycket av ett läkemedel som är tillgängligt och hur effektivt kroppen kan bryta ner det. De fann till exempel att enzymer som bryter ner Tylenol och andra läkemedel förekommer i större mängder vid vissa tider på dygnet. Att administrera läkemedel vid olika tidpunkter på dygnet kan ha en betydande inverkan på hur de metaboliseras i levern. Sammanlagt identifierade forskarna mer än 300 levergener som följer en dygnsrytm, däribland många som är involverade i läkemedelsmetabolismen samt andra funktioner såsom inflammation.

Att analysera dessa rytmer kan hjälpa forskare att ta fram bättre doseringsscheman för befintliga läkemedel. En av de första tillämpningarna av denna metod skulle kunna vara att finjustera redan godkända läkemedel för att maximera deras effekt och minimera deras toxicitet. Studien visade också att levern är mer mottaglig för infektioner såsom malaria vid vissa tidpunkter i den cirkadiska cykeln när färre inflammatoriska proteiner produceras. Bhatia är huvudförfattare till den nya studien, som publicerades i Science Advances. Huvudförfattare till studien är Sandra March, forskningsassistent vid IMES.

Hur dygnsrytmcykler påverkar leverfunktionen

Man uppskattar att cirka 50 procent av människans gener följer en dygnsrytm, och många av dessa gener är aktiva i levern. Det har dock varit svårt att studera dessa cyklers effekter på leverfunktionen eftersom många av dessa gener inte är identiska hos möss och människor, vilket innebär att musmodeller inte kan användas för att studera dem. Bhatia har redan utvecklat en metod för att odla miniatyriserade levers från leverceller (hepatocyter) från mänskliga donatorer. I denna studie ville hon och hennes kollegor undersöka om dessa artificiellt framställda levers har sina egna 24-timmarsklockor.

I samarbete med Charles Rices grupp vid Rockefeller University identifierade de odlingsförhållanden som främjar det cirkadiska uttrycket av en klockgen som kallas Bmal1. Denna gen, som styr det cykliska uttrycket av en rad olika gener, gjorde det möjligt för levercellerna att utveckla synkroniserade cirkadiska svängningar. Forskarna mätte sedan genuttrycket i dessa celler var tredje timme under 48 timmar och kunde identifiera mer än 300 gener som uttrycktes i vågor.

De flesta av dessa gener grupperade sig i två kluster – cirka 70 procent av generna nådde sin topp samtidigt, medan de återstående 30 procenten nådde sin topp när de andra gjorde det. Bland dessa fanns gener som är involverade i en rad olika funktioner, däribland läkemedelsmetabolism, glukos- och fettmetabolism samt olika immunprocesser. När de modifierade levernarna hade etablerat dessa dygnsrytmcykler kunde forskarna använda dem för att studera hur dygnsrytmcyklerna påverkar leverfunktionen. Först undersökte de hur tiden på dygnet påverkar läkemedelsmetabolismen genom att studera två olika läkemedel – paracetamol (Tylenol) och atorvastatin, ett läkemedel som används för att behandla högt kolesterol.

När Tylenol bryts ned i levern omvandlas en liten mängd av läkemedlet till en giftig biprodukt som kallas NAPQI. Forskarna fann att mängden NAPQI som produceras kan variera med upp till 50 procent beroende på vilken tid på dygnet läkemedlet administreras. De fann också att atorvastatin har högre toxicitet vid vissa tider på dygnet. Båda läkemedlen metaboliseras delvis av ett enzym som kallas CYP3A4, vilket har en dygnsrytm. CYP3A4 är involverat i nedbrytningen av cirka 50 procent av alla läkemedel, så forskarna planerar nu att testa fler av dessa läkemedel med sina levermodeller.

Forskarna vid MIT samarbetar nu med kollegor för att analysera ett cancerläkemedel som de misstänker påverkas av dygnsrytmen, och de hoppas kunna undersöka om detsamma gäller för läkemedel som används för smärtbehandling.

Mottaglighet för infektioner

Många av de levergener som uppvisar dygnsrytm är involverade i immunreaktioner såsom inflammation, så forskarna undrade om denna variation kunde påverka mottagligheten för infektioner. För att besvara denna fråga utsatte de de manipulerade levern för Plasmodium falciparum, en parasit som orsakar malaria, vid olika tidpunkter under dygnsrytmen. Dessa studier visade att levern hade större sannolikhet att smittas efter exponering vid olika tidpunkter på dygnet. Detta beror på skillnader i uttrycket av gener som kallas interferonstimulerade gener, vilka bidrar till att undertrycka infektioner.

Forskarna har en hypotes om att dessa cykliska fluktuationer beror på att levern dämpar sin respons på patogener efter måltider, när den normalt utsätts för ett inflöde av mikroorganismer som kan utlösa inflammation, även om de inte är direkt skadliga. Bhatia och hans forskargrupp utnyttjar nu dessa cykler för att studera infektioner som normalt är svåra att åstadkomma i konstgjorda levermodeller, däribland malariainfektioner orsakade av andra parasiter än Plasmodium falciparum.

Detta är mycket viktigt för forskningen, eftersom experterna – genom att helt enkelt sätta upp systemet och välja rätt tidpunkt för infektionen – kan öka infektionsgraden i sin odling med 25 procent och därmed möjliggöra läkemedelsstudier som annars inte skulle vara genomförbara.